Kurzfassung

Heteroübergang-Bipolar-Transistoren (HBTs) gehören zu den modernsten Halbleiterbauelementen. Sie erfüllen alle Voraussetzungen, um im Frequenzbereich zwischen 0.9 und 100 GHz höchste Operationsgeschwindigkeiten, niedrigen Energieverbrauch und hohe Integrationsdichten mit niedrigen Grenzkosten zu erzielen. In großer Stückzahl werden zur Zeit III-V HBT MMICs auf sechs Zoll Scheiben, und SiGe HBT Schaltungen in CMOS Technologie auf acht Zoll Scheiben gefertigt. Um die exlodierenden Entwicklungskosten moderner Halbleiterbauelemente in den Griff zu bekommen, wird in großem Ausmaß Technology Computer-Aided Design (TCAD) eingesetzt. Technologie-, Bauelement- und Schaltungssimulatoren verbessern die Bauelementeigenschaften ohne teuren technischen Aufwand.

In der vorliegenden Dissertation wird der Status der HBT Forschung diskutiert. Ein Überblick über den Stand der Technik wird gebracht und die bei HBTs verwendete Materialien und Materialsysteme, unter besonderer Berücksichtigung von MINIMOS-NT, werden diskutiert. MINIMOS-NT ist ein generischer, zweidimensionaler Bauelementsimulator und Teil der VISTA TCAD Umgebung. Ein großer Teil der in dieser Arbeit ist der Weiterentwicklung und der praktischen Anwendung von MINIMOS-NT gewidmet. Die verwendeten physikalischen Modelle werden detailiert vorgestellt. Dies beinhaltet sowohl Modelle für die Gittereigenschaften, das Temperaturverhalten und die Transporteigenschaften verschiedener Halbleitermaterialien, genauso wie Modelle für wichtige HBT typische Effekte. Kritische, die Simulation von Heterostrukuren betreffende Punkte werden analysiert, zum Beispiel die Modellierung von Grenzflächen von Heteroübergängen und Isolatoroberflächen, von Bandstrukturen und der Abnahme der Bandkantenenergie bei Hochdotierung (bandap narrowing), von Selbsterwärmung und von Effekten die bei hohen Feldstärken auftreten.

Um die weiteren Fähigkeiten von MINIMOS-NT zu demonstrieren, werden Simulationsergebnisse für verschiedene Typen von GaAs- und Si-basierender HBTs, meist in Verbindung mit Messergebnissen, präsentiert. Hierbei wird spezielles Augenmerk auf die Simulation von Hochleistungs AlGaAs/GaAs und InGaP/GaAs HBTs gelegt. Weiters werden zweidimensionale Gleichstromsimulationen verschiedener Einfingerbauelemente, die in einem weiten Temperaturbereich mit den Messergebnissen übereinstimmen, vorgestellt, wobei bereits Selbsterwärmungseffekte in die Ausgangskennlinie eingehen. Die Arbeit wird noch durch transiente Simulation von Kleinsignalparametern ergänzt, wodurch das Gleich- und Hochfrequenzverhalten der Bauelemente gemeinsam analysiert werden kann. Ein Vergleich simulierter und gemessener S-Parameter und die Abhängigkeit von $f_{\mathrm{T}}$ von einigen Bauelementparametern wird präsentiert. Der praktische Nutzen von Baulementsimulationen wird durch Zuverlässigkeitsuntersuchungen unterstrichen. SiGe HBTs und Polisilizium Emitter BJT Beispiele bilden den Abschluss der in dieser Dissertation vorgestellten Studien.